文/吳傲宗，張娜娜，劉亞麗，夏占雪·第一拖拉機(jī)股份有限公司鍛造廠

淺談連桿模鍛生產(chǎn)技術(shù)

文/吳傲宗，張娜娜，劉亞麗，夏占雪·第一拖拉機(jī)股份有限公司鍛造廠

連桿是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要零件之一，連桿的質(zhì)量直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械性能的平穩(wěn)性、連續(xù)性，以及發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命，并直接關(guān)系到車(chē)輛的安全行駛。連桿作為發(fā)動(dòng)機(jī)的核心傳力機(jī)構(gòu)，其在工作過(guò)程中承受著周期性不斷變化的燃燒壓力和慣性力的交變載荷，機(jī)械負(fù)荷嚴(yán)重，工作條件惡劣。這就要求連桿在質(zhì)量盡可能小的條件下，有足夠的剛度和強(qiáng)度。連桿桿體通常做成“工”字形斷面，以便在取得足夠強(qiáng)度和剛度的前提下減少質(zhì)量。連桿一般采用中碳鋼或合金鋼經(jīng)模鍛、熱處理和機(jī)械加工制造而成。

連桿生產(chǎn)工藝

連桿的分類(lèi)

連桿的分類(lèi)可以按多種劃分方式，一般按材料和結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類(lèi)。按材料來(lái)劃分，可以分為調(diào)質(zhì)鋼連桿和非調(diào)質(zhì)鋼連桿。調(diào)質(zhì)鋼連桿是指連桿鍛打成形后，需要通過(guò)淬火和高溫回火等熱處理來(lái)最終達(dá)到性能要求的連桿；非調(diào)質(zhì)鋼連桿是指連桿鍛打成形后，通過(guò)控制鍛后空冷速度來(lái)達(dá)到性能要求的連桿。

按結(jié)構(gòu)來(lái)劃分，可以分為分體式連桿和整體式連桿。分體式連桿是指連桿體和連桿蓋子分別鍛造的連桿；整體式連桿是指連桿體和連桿蓋子整體鍛造，鍛打后通過(guò)后續(xù)加工的方式來(lái)分離的連桿。表1為我國(guó)部分車(chē)型所用的連桿。

技術(shù)特點(diǎn)

連桿屬于長(zhǎng)軸類(lèi)精密鍛件，隨著汽車(chē)工業(yè)的飛速發(fā)展，連桿有著相當(dāng)大的需求和發(fā)展空間。長(zhǎng)期以來(lái)，連桿一直被視為較難鍛造和加工的零件。國(guó)內(nèi)外對(duì)連桿材料、鍛造工藝和切削工藝都給予高度重視，并在不斷的改革和創(chuàng)新。同時(shí)對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中容易出現(xiàn)的問(wèn)題也有著深入的研究，其目的就是在滿(mǎn)足產(chǎn)品使用性能和使用要求的同時(shí)，降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率從而最大程度地增加經(jīng)濟(jì)效益。

對(duì)于不同類(lèi)型檔次的發(fā)動(dòng)機(jī)，對(duì)連桿的模鍛件有著不同的技術(shù)、質(zhì)量要求。隨著各類(lèi)發(fā)動(dòng)機(jī)制造水平的提高，尤其是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高及動(dòng)平衡要求的提高，對(duì)于連桿模鍛件的重量公差、尺寸公差、產(chǎn)品精度、表面質(zhì)量、內(nèi)在質(zhì)量與機(jī)械性能的要求越來(lái)越高。為了適應(yīng)不同連桿模鍛件生產(chǎn)的要求，就要選擇不同的模鍛生產(chǎn)工藝和方法。

■ 表1 我國(guó)部分車(chē)型所用的連桿

裂解工藝的應(yīng)用

隨著汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)代高性能發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)連桿的性能要求越來(lái)越高，拘泥于傳統(tǒng)、落后加工技術(shù)的生產(chǎn)模式，難以滿(mǎn)足日益發(fā)展的汽車(chē)制造行業(yè)對(duì)連桿批量和精度的要求。連桿裂解加工新工藝是20世紀(jì)90年代首先由德國(guó)、美國(guó)興起的一種連桿新加工技術(shù)，是采用無(wú)屑斷裂方法完成連桿體和蓋結(jié)合面剖分加工的方法，其主要工藝流程有以下5點(diǎn)，主要工藝過(guò)程圖如圖1所示。

⑴先將連桿毛坯大頭孔內(nèi)側(cè)預(yù)置裂解槽，形成初始斷裂源。

⑵在連桿大頭孔內(nèi)側(cè)施加垂直于預(yù)定斷裂面的正壓力，在滿(mǎn)足脆性斷裂發(fā)生條件下，完成無(wú)屑斷裂部分的加工。

⑶利用兩斷裂面自然犬牙交錯(cuò)結(jié)構(gòu)定位，實(shí)現(xiàn)連桿體與連桿蓋的精確合裝。

⑷以斷裂部分的三維曲面定位，在斷裂面完全嚙合的條件下進(jìn)行后續(xù)的大孔精加工及上螺栓工序。

連桿裂解加工過(guò)程

連桿裂解加工工藝流程包括粗磨連桿體兩側(cè)面→粗鏜大小頭孔、半精鏜小頭孔→鉆攻螺紋孔→加工裂解槽→裂解→裝配栓→壓襯套并精整→精磨連桿體兩側(cè)面→半精鏜、精鏜大小頭孔→鉸珩小頭孔→清洗→檢驗(yàn)。

裂解工藝的優(yōu)勢(shì)主要有以下幾點(diǎn)：

⑴裂解工藝改變了連桿加工的關(guān)鍵生產(chǎn)工序，以整體加工代替分體加工，省去分離面的拉削與磨削等工藝，降低了螺栓孔的加工精度要求。

⑵裂解加工技術(shù)具有減少加工工序、優(yōu)化制造工藝，節(jié)省設(shè)備投入及能源消耗，降低連桿制造成本等優(yōu)點(diǎn)。

⑶斷裂形成的分離面是宏觀形態(tài)參差、微觀相互耦合的三維凹凸曲面，可以實(shí)現(xiàn)連桿結(jié)合面3個(gè)方向上的精確定位，裝配后的連桿體與連桿蓋可緊密接觸并互相鎖定，使連桿承載能力、抗剪能力、連桿組件剛度大幅度提高。

典型連桿模鍛生產(chǎn)工藝

生產(chǎn)工藝流程

⑴錘上模鍛的生產(chǎn)工藝包括，下料→加熱→拔長(zhǎng)→輾壓→預(yù)鍛→終鍛→切邊沖孔→熱校正→熱處理→噴丸→探傷→精壓。

⑵熱模鍛壓力機(jī)模鍛生產(chǎn)工藝包括，下料→加熱→輥鍛（楔橫軋）制坯→預(yù)鍛→終鍛→切邊沖孔→熱校正→熱處理→噴丸→探傷→精壓。

⑶摩擦壓力機(jī)或高能螺旋壓力機(jī)模鍛生產(chǎn)工藝包括，下料→加熱→輥鍛制坯→摩擦壓力機(jī)預(yù)鍛→第二臺(tái)摩擦壓力機(jī)終鍛→切邊沖孔→熱校正→熱處理→噴丸清理→探傷→精壓。

典型連桿模鍛生產(chǎn)線配置

⑴熱模鍛壓力機(jī)模鍛生產(chǎn)線包括，中頻感應(yīng)加熱爐（300kW）→輥鍛機(jī)（φ460mm）或楔橫軋機(jī)→熱模鍛壓力機(jī)（25000kN或31500kN）→閉式單點(diǎn)壓力機(jī)→空冷爐（預(yù)熱淬火+回火爐）→噴丸機(jī)→探傷機(jī)→精壓機(jī)。

這種生產(chǎn)線配置比較先進(jìn)，采用了中頻感應(yīng)加熱，輥鍛或楔橫軋制坯，預(yù)熱處理工藝或非調(diào)質(zhì)鋼新材料。生產(chǎn)線便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，噪聲小，勞動(dòng)環(huán)境好，可生產(chǎn)各種類(lèi)型的發(fā)動(dòng)機(jī)連桿，包括轎車(chē)連桿，但投資較大。

⑵液壓精鍛錘生產(chǎn)線包括，中頻感應(yīng)加熱爐（600kW）→輥鍛機(jī)（φ560mm）→液壓精鍛錘（63kJ）→開(kāi)式壓力機(jī)（31500kN）→控溫冷卻（900～950℃）→噴丸機(jī)（600～1200kg/h）→熒光探傷機(jī)→電動(dòng)螺旋壓力機(jī)（4000kN）。

該生產(chǎn)線以轎車(chē)連桿為主，鍛件厚度公差基本在±0.2mm以?xún)?nèi)，錯(cuò)差在±0.3mm以?xún)?nèi)，精壓尺寸精度可以控制在±0.1mm之內(nèi)。

圖1 工藝過(guò)程圖

⑶摩擦壓力機(jī)生產(chǎn)線包括，中頻感應(yīng)加熱爐（5000kW）→輥鍛機(jī)（φ560mm）→摩擦壓力機(jī)（6300kN）→摩擦壓力機(jī)（10000kN）→閉式單點(diǎn)壓力機(jī)（2500kN）→摩擦壓力機(jī)（3000kN）→余熱淬火（870～900℃）→回火爐（150kW）→噴丸機(jī)→熒光探傷機(jī)。

該生產(chǎn)線以生產(chǎn)柴油機(jī)連桿為主，在摩擦壓力機(jī)上進(jìn)行預(yù)鍛、終鍛、熱校正，工藝過(guò)程穩(wěn)定，鍛件質(zhì)量好，生產(chǎn)效率也較高，適合于中小企業(yè)。

連桿模鍛工藝的特點(diǎn)

圖2 工字型截面預(yù)鍛、終鍛設(shè)計(jì)圖

輥鍛制坯

輥鍛制坯工序在連桿模鍛生產(chǎn)中具有重要作用，是保證連桿鍛件質(zhì)量的關(guān)鍵。在輥鍛制坯設(shè)計(jì)中，除了盡可能提高材料利用率外，還要通過(guò)模具的設(shè)計(jì)和計(jì)算，保證連桿毛坯在每一道次的輥鍛過(guò)程中都不能出現(xiàn)折疊，尤其是連桿的桿部區(qū)域。輥鍛工序設(shè)計(jì)主要有以下4個(gè)要點(diǎn)。

⑴合理確定各道次輥鍛毛坯的形狀和尺寸。

⑵選擇好型槽系，并要合理分配各道次延伸系數(shù)。

⑶合理確定各道次輥鍛毛坯在不同區(qū)域的前滑值S前滑的大小。

⑷準(zhǔn)確計(jì)算各道次毛坯截面尺寸與型槽尺寸。

預(yù)鍛模膛設(shè)計(jì)

預(yù)鍛模膛是用來(lái)對(duì)制坯后的坯料進(jìn)一步變形，合理地分配坯料各部位的金屬體積，使其更接近鍛件外形，改善金屬在終鍛模膛內(nèi)的流動(dòng)條件，保證終鍛時(shí)鍛件坯料成形飽滿(mǎn)；避免折疊、裂紋等缺陷，減少終鍛模膛的磨損，提高模具壽命。對(duì)于連桿鍛件，預(yù)鍛模膛設(shè)計(jì)至關(guān)重要。如果預(yù)鍛模膛設(shè)計(jì)不合理，則終鍛后鍛件將產(chǎn)生折疊，或出現(xiàn)局部充不滿(mǎn)的情況。預(yù)鍛模膛設(shè)計(jì)原則主要有以下三點(diǎn)：

⑴預(yù)鍛模膛的形狀和終鍛模膛的形狀基本一致。

⑵為了使預(yù)鍛后的坯料容易放入終鍛模膛，使預(yù)鍛模膛的寬度比終端模膛小1～2mm，預(yù)鍛模膛的高度比終端模膛高2～4mm，保證預(yù)鍛模膛中的坯料實(shí)際高度和橫截面積要大于終鍛模膛的高度和橫截面積。

⑶預(yù)鍛模膛的拔模斜度一般應(yīng)該與終鍛模膛一致。也可以根據(jù)具體情況，采用增大拔模斜度、寬度不變的方法來(lái)解決成形難的問(wèn)題。

預(yù)鍛模膛的圓角半徑一般比終鍛模膛大2～3mm，這樣可以減輕金屬流動(dòng)的阻力，防止產(chǎn)生折疊；合理設(shè)計(jì)預(yù)鍛大頭孔的劈料凸臺(tái)的形狀與尺寸，防止因金屬流動(dòng)不合理，而產(chǎn)生叉口部位出現(xiàn)局部充不滿(mǎn)情況。

連桿鍛件最易在工字形截面的桿部腹板處產(chǎn)生折疊，故對(duì)于連桿工字形截面的預(yù)鍛和終鍛設(shè)計(jì)原則為公式(1)～(6)（單位為mm），公式（7）、（8）。

鍛模制造技術(shù)

轎車(chē)連桿重量公差國(guó)際上通用的標(biāo)準(zhǔn)為產(chǎn)品重量的2%～3%，一般發(fā)動(dòng)機(jī)的連桿重量公差要求在3%～5%范圍內(nèi)。要控制連桿重量，模具制造精度是一個(gè)非常重要的因素。

終鍛型槽的制作，要按精密級(jí)鍛件的要求來(lái)制作。首先用三坐標(biāo)數(shù)控銑床進(jìn)行終鍛模膛的粗加工，粗加工后進(jìn)行模具熱處理，這樣就能有效保證模膛的強(qiáng)度，提高模具壽命。

模具熱處理后再進(jìn)行半精加工，然后在精密電火花機(jī)床上用石墨電極沖型，最后進(jìn)行拋光處理。石墨電極精沖深度為0.5mm，電流選擇15A。型槽公差深度、水平方向均可達(dá)±0.05mm。終鍛型槽尺寸設(shè)計(jì)時(shí)，盡量趨于公差下限，使初始鍛件重量保持在重量公差下限，隨著模具模膛的磨損，重量會(huì)逐步向上限移動(dòng)。

為增加模具模膛耐磨性，延長(zhǎng)模具使用壽命，可對(duì)模膛進(jìn)行離子滲氮處理，滲氮層厚度為0.15～0.35mm，硬度在44～48HRC之間。

結(jié)束語(yǔ)

連桿作為發(fā)動(dòng)機(jī)上重要的零部件，其模鍛水平直接影響著連桿的質(zhì)量，這就要求我們不斷提高模鍛工藝水平來(lái)滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)連桿的要求。

吳傲宗，工程師，主要從事鍛模工藝開(kāi)發(fā)及鍛模三維化設(shè)計(jì)工作。